FDC系列电容式传感器介绍

hello大家好 欢迎大家回到家电部分 TI的在线工业研讨会 我是Kim

这一节我们讲到了电容式的传感器

大家可以看到 电容式的传感器 我们叫做capacitive do digital converter

指的是一个电容量到数字量的变换

它是一个电容容值的检测方案

这样一个传感器方案在TI都是以FDC开头的一些物料

首先我们看一下这样一个电容式传感器

能用在工业领域或者家电领域什么样的场合

因为方向主要有三大块

第一个是液位检测

第二个是接近检测与简单的数字识别

第三部分是一些避障

首先我们看看液位检测

液位检测实际上是用了检测的一个容器体现液位的高度的

它能用在类似于水壶 或是咖啡机这样的一些产品

这些产品会有注重 注水这样的一些功能要求

要实现这个功能 你需要去做液位的检测

FDC能通过电容的变化来感知液位的高度

帮你实现这样的一个功能

简单的手势识别 接近感应 在这样的场合实际上我们有很多的控制器是处于休眠状态的

我们是希望说 我们需要去操作它 靠近它的时候

唤醒这样一个设备

需要实现这样的功能 你需要做的是一个接近检测

FDC呢 它能通过感知人体靠近从电容的变化

来告知你的系统 让你的系统从休眠到唤醒的变化

另外一个简单的手势识别 例如空调的风量

风扇的风量与电磁炉的红移 这些我们可以通过FDC的

一些简单的物理结构来实现

第三个是避障

避障的话 我们能看到市场上有很多的家电设备实际上带有很多的活动的部分

这些这些活的部分在动作的时候 我们不希望它能碰到人

造成一些意外 而实现这样的功能 你实际上是需要做人体的一个

接近的检测 那它可以通过FDC这样一个应用场景

去检测到你人是否在旁边 从而避开意外

现在我们看一下电容式传感器的基本原理

大家可以看到下面这幅图

电容式传感器它需要一个电容集

一个电容集有一端作为传感器端

另一端是作为接地端

连接到了FDC的系统

那这样一个电容集的空间会形成一定的电容效应

形成一定的电场

那这个这两个集形成一个电容的大小

会根据这样一条公式去计算

这样的公式会看到 电容会受到板的电极的面积

以及它们之间的距离的大小的影响

同时也会受到这两对电极板

之间 因为电解式常数的影响

那当你的设计固定下来的时候 板的面积

距离 这也是固定下来的

那可以变化的实际上是一个电介质的一个常数的变化

电介质的变化会有非常多的不同的情况

诸如液位的变化 我的液位在我的电极之间

变化的时候 会使得电介质常数的一个比例在变化

这样形成一个液位检测的方案

所以这就是电磁传感器能够实现液位检测以及简单的

接近检测以及手势识别的原理

目前在市场上 针对电容式传感器

有两种方案

我们传统的这种方案 像右边这个图

它是通过一定的电流去给电容充电

然后再通过检测放电的时间

来测量电容容值的变化

它通过一个C放电的原理

电容放电的原理去检测电容的大小

这样的一个方案 它的问题在于

它会容易受到噪声的干扰

它需要多次的检测 多次的平均的缠绕

才能感知到电容的变化

TI FDC的方案 用的是LCC网络这样一个方法去做的

那它是通过测量LC网络的谐振频率

来感知电容的变化 谐振的方案本身

它有一个很大的好处 它对噪声是不敏感的

它具有非常好的抗噪声的能力

所以这样一个方案在非常高的EMI的低下

保证一个比较高的测试精度所以像TI这种谐振方式的测量方案

它会给你带来一定的好处

一个是EMI的抗干扰性能

另外一个就是 因为它是通过谐振网络

测量范围是比较宽的

10k到10M的整个范围

使得我的电容具有比较宽的变化范围

我们做的这个是250n测量范围

这样的范围能够使得你的系统 测量非常宽的距离

最后一个是 因为我们做这样一个谐振网络的时候

我们可以通过PCB的走线或是一些金属的铜皮去

构造这样一个电容集 它能够做到一个非常低成本

而且非常灵活的一个传感器

下面我给大家讲解一个简单的系统案例

这种案例是针对咖啡机的注入注水

可以看到 这里有一个腔体 它模拟的是咖啡机的

容器 这里面有三个主体的电容集

第一个放在底端 第二个基本上是满量程的

一个电容集 第三个是放在顶端的电容集

底端的电容集是用来做参考用的

就是当我的水注到高过电容集的大小的时候

我就能用它来计算我的一个电容的大小

反算电介质的常数

然后 这一对电容集 是用来做主量程的计算

我通过测量这个电容集之间电容的容量

和这个电容集进行比较 就知道 目前我当前的这个液位高度

是它的多少倍

第三个子集是用来做 这个水一旦注到顶部的时候

这个电容集就能够感知到这个电介质的变化

从而给你的系统一个警告

告诉你这个水马上要溢出去了

所以这样的一个应用比较适合类似于注射

注水 这样一些咖啡机 水壶 或者是针筒这样的一些应用

我们在做系统试验的时候 使用的是一个针筒

针对这样的试验 目前我们做到了一个精度是

50mL 总的来说是50mL 精度能做到0.2mL这样一个精度

我们看一看我们FDC的产品

有哪些产品 为什么能实现这样的一个功能

首先大家看到我们这里有FDC 2214或2212

这样一个产品 它是一个3.3V 28位 计数器的FDC产品

分别是两通道和四通道的

它测量的一个传感器的频率是10k到10M

10k到10M 接口是I2C接口

这个应用 它能够适合两通道或者四通道这种多通道的监测方案

就是刚才那种注水的 我们需要三个通道

同时因为它是使用谐振的方式

所以它具有非常好的抗EMI的性能

目前的话 因为它能够测量一个非常宽的电容范围

所以它能够做这个接近检测 能测到高达50cm这样一个范围

那可以看到 这个内部结构第一个是谐振网络驱动器

然后有一个功能选择器以及一个输入转换的计数器

这个谐振网络是定时的去驱动

这样一个LC协同网络

同时检测它的一个频率

通过多个选择器 到达我们内部的一个计数器

跟FDC系统时钟进行比较

从而输出一个相对的频率值

这个就是我们FDC的一些目标

目前的话 我们FDC比较主推的是一个FDC2214的产品

既有汽车级也有工业级

我在开始这样一个设计的时候

如何快速地去启动它呢

你可以去到TI 的WEBENCH去找到它的整个设计资源

它会告诉你你的电容的容积

电容的极板 如何设计 能达到多少的一个距离

同时我们也有非常多的一个参考设计

这些参考设计是一些接近检测

手势识别

大家可以看到TIDA 00474这样一个产品设计

它是通过这样一个电极板

的纵列 来实现简单的手势滑动的识别

来控制我们ID端的一个亮度

和它的显示状态

这样的一个方案

也可以用在一些抽油烟机和一些厨具上面

最后是一些我们的在线资源 谢谢大家

hello大家好 欢迎大家回到家电部分 TI的在线工业研讨会 我是Kim

这一节我们讲到了电容式的传感器

大家可以看到 电容式的传感器 我们叫做capacitive do digital converter

指的是一个电容量到数字量的变换

它是一个电容容值的检测方案

这样一个传感器方案在TI都是以FDC开头的一些物料

首先我们看一下这样一个电容式传感器

能用在工业领域或者家电领域什么样的场合

因为方向主要有三大块

第一个是液位检测

第二个是接近检测与简单的数字识别

第三部分是一些避障

首先我们看看液位检测

液位检测实际上是用了检测的一个容器体现液位的高度的

它能用在类似于水壶 或是咖啡机这样的一些产品

这些产品会有注重 注水这样的一些功能要求

要实现这个功能 你需要去做液位的检测

FDC能通过电容的变化来感知液位的高度

帮你实现这样的一个功能

简单的手势识别 接近感应 在这样的场合实际上我们有很多的控制器是处于休眠状态的

我们是希望说 我们需要去操作它 靠近它的时候

唤醒这样一个设备

需要实现这样的功能 你需要做的是一个接近检测

FDC呢 它能通过感知人体靠近从电容的变化

来告知你的系统 让你的系统从休眠到唤醒的变化

另外一个简单的手势识别 例如空调的风量

风扇的风量与电磁炉的红移 这些我们可以通过FDC的

一些简单的物理结构来实现

第三个是避障

避障的话 我们能看到市场上有很多的家电设备实际上带有很多的活动的部分

这些这些活的部分在动作的时候 我们不希望它能碰到人

造成一些意外 而实现这样的功能 你实际上是需要做人体的一个

接近的检测 那它可以通过FDC这样一个应用场景

去检测到你人是否在旁边 从而避开意外

现在我们看一下电容式传感器的基本原理

大家可以看到下面这幅图

电容式传感器它需要一个电容集

一个电容集有一端作为传感器端

另一端是作为接地端

连接到了FDC的系统

那这样一个电容集的空间会形成一定的电容效应

形成一定的电场

那这个这两个集形成一个电容的大小

会根据这样一条公式去计算

这样的公式会看到 电容会受到板的电极的面积

以及它们之间的距离的大小的影响

同时也会受到这两对电极板

之间 因为电解式常数的影响

那当你的设计固定下来的时候 板的面积

距离 这也是固定下来的

那可以变化的实际上是一个电介质的一个常数的变化

电介质的变化会有非常多的不同的情况

诸如液位的变化 我的液位在我的电极之间

变化的时候 会使得电介质常数的一个比例在变化

这样形成一个液位检测的方案

所以这就是电磁传感器能够实现液位检测以及简单的

接近检测以及手势识别的原理

目前在市场上 针对电容式传感器

有两种方案

我们传统的这种方案 像右边这个图

它是通过一定的电流去给电容充电

然后再通过检测放电的时间

来测量电容容值的变化

它通过一个C放电的原理

电容放电的原理去检测电容的大小

这样的一个方案 它的问题在于

它会容易受到噪声的干扰

它需要多次的检测 多次的平均的缠绕

才能感知到电容的变化

TI FDC的方案 用的是LCC网络这样一个方法去做的

那它是通过测量LC网络的谐振频率

来感知电容的变化 谐振的方案本身

它有一个很大的好处 它对噪声是不敏感的

它具有非常好的抗噪声的能力

所以这样一个方案在非常高的EMI的低下

保证一个比较高的测试精度所以像TI这种谐振方式的测量方案

它会给你带来一定的好处

一个是EMI的抗干扰性能

另外一个就是 因为它是通过谐振网络

测量范围是比较宽的

10k到10M的整个范围

使得我的电容具有比较宽的变化范围

我们做的这个是250n测量范围

这样的范围能够使得你的系统 测量非常宽的距离

最后一个是 因为我们做这样一个谐振网络的时候

我们可以通过PCB的走线或是一些金属的铜皮去

构造这样一个电容集 它能够做到一个非常低成本

而且非常灵活的一个传感器

下面我给大家讲解一个简单的系统案例

这种案例是针对咖啡机的注入注水

可以看到 这里有一个腔体 它模拟的是咖啡机的

容器 这里面有三个主体的电容集

第一个放在底端 第二个基本上是满量程的

一个电容集 第三个是放在顶端的电容集

底端的电容集是用来做参考用的

就是当我的水注到高过电容集的大小的时候

我就能用它来计算我的一个电容的大小

反算电介质的常数

然后 这一对电容集 是用来做主量程的计算

我通过测量这个电容集之间电容的容量

和这个电容集进行比较 就知道 目前我当前的这个液位高度

是它的多少倍

第三个子集是用来做 这个水一旦注到顶部的时候

这个电容集就能够感知到这个电介质的变化

从而给你的系统一个警告

告诉你这个水马上要溢出去了

所以这样的一个应用比较适合类似于注射

注水 这样一些咖啡机 水壶 或者是针筒这样的一些应用

我们在做系统试验的时候 使用的是一个针筒

针对这样的试验 目前我们做到了一个精度是

50mL 总的来说是50mL 精度能做到0.2mL这样一个精度

我们看一看我们FDC的产品

有哪些产品 为什么能实现这样的一个功能

首先大家看到我们这里有FDC 2214或2212

这样一个产品 它是一个3.3V 28位 计数器的FDC产品

分别是两通道和四通道的

它测量的一个传感器的频率是10k到10M

10k到10M 接口是I2C接口

这个应用 它能够适合两通道或者四通道这种多通道的监测方案

就是刚才那种注水的 我们需要三个通道

同时因为它是使用谐振的方式

所以它具有非常好的抗EMI的性能

目前的话 因为它能够测量一个非常宽的电容范围

所以它能够做这个接近检测 能测到高达50cm这样一个范围

那可以看到 这个内部结构第一个是谐振网络驱动器

然后有一个功能选择器以及一个输入转换的计数器

这个谐振网络是定时的去驱动

这样一个LC协同网络

同时检测它的一个频率

通过多个选择器 到达我们内部的一个计数器

跟FDC系统时钟进行比较

从而输出一个相对的频率值

这个就是我们FDC的一些目标

目前的话 我们FDC比较主推的是一个FDC2214的产品

既有汽车级也有工业级

我在开始这样一个设计的时候

如何快速地去启动它呢

你可以去到TI 的WEBENCH去找到它的整个设计资源

它会告诉你你的电容的容积

电容的极板 如何设计 能达到多少的一个距离

同时我们也有非常多的一个参考设计

这些参考设计是一些接近检测

手势识别

大家可以看到TIDA 00474这样一个产品设计

它是通过这样一个电极板

的纵列 来实现简单的手势滑动的识别

来控制我们ID端的一个亮度

和它的显示状态

这样的一个方案

也可以用在一些抽油烟机和一些厨具上面

最后是一些我们的在线资源 谢谢大家